Un microscopio acústico de barrido ( SAM ) es un dispositivo que utiliza sonido enfocado para investigar, medir o obtener imágenes de un objeto (un proceso llamado tomografía acústica de barrido). Se utiliza comúnmente en análisis de fallas y evaluación no destructiva . También tiene aplicaciones en investigaciones biológicas y médicas. La industria de los semiconductores ha descubierto que el SAM es útil para detectar huecos, grietas y delaminaciones dentro de paquetes microelectrónicos.
El primer microscopio acústico de barrido (SAM), con una lente ultrasónica de 50 MHz, fue desarrollado en 1974 por RA Lemons y CF Quate en el Laboratorio de Microondas de la Universidad de Stanford . [1] Unos años más tarde, en 1980, R.Gr. construyó el primer SAM de transmisión directa de alta resolución (con una frecuencia de hasta 500 MHz). Maev y sus alumnos en su Laboratorio de Introscopia Biofísica de la Academia de Ciencias de Rusia . [2] El primer SAM comercial ELSAM, con un amplio rango de frecuencia desde 100 MHz hasta 1,8 GHz, fue construido en Ernst Leitz GmbH por el grupo dirigido por Martin Hoppe y sus consultores Abdullah Atalar ( Universidad de Stanford ), Roman Maev ( Academia Rusa de Ciencias ) y Andrew Briggs ( Universidad de Oxford ). [3] [4]
Desde entonces, se han realizado muchas mejoras en dichos sistemas para mejorar la resolución y la precisión. La mayoría de ellos fueron descritos en detalle en la monografía Advanced in Acoustic Microscopy, Ed. por Andrew Briggs , 1992, Oxford University Press y en monografía de Roman Maev , Acoustic Microscopy Fundamentals and Applications, Monograph, Wiley & Son - VCH, 291 páginas, agosto de 2008, así como recientemente en. [5]
Existen muchos métodos para el análisis de fallas de daños en paquetes microelectrónicos, que incluyen, entre otros, decapsulación por láser, decapsulación por grabado húmedo, microscopía óptica , microscopía SEM y rayos X. Existen muchos métodos para el análisis de fallas de daños en paquetes microelectrónicos. El problema con la mayoría de estos métodos es el hecho de que son destructivos. Esto significa que es posible que el daño en sí se produzca durante la preparación. Además, la mayoría de estos métodos destructivos requieren una preparación de muestras complicada y que requiere mucho tiempo. Por eso, en la mayoría de los casos, es importante estudiar los daños con una técnica no destructiva. Y a diferencia de otras técnicas no destructivas como los rayos X, el CSAM es muy sensible a las propiedades elásticas de los materiales a través de los que viaja. Por ejemplo, CSAM es muy sensible a la presencia de delaminaciones y espacios de aire en espesores submicrónicos, por lo que es particularmente útil para la inspección de dispositivos pequeños y complejos. [6]
La técnica utiliza la alta profundidad de penetración de las ondas acústicas para obtener imágenes de la estructura interna de la muestra. Por lo tanto, en la microscopía acústica de barrido se procesan ondas acústicas reflejadas o transmitidas para analizar las características internas. Cuando la onda acústica se propaga a través de la muestra, puede dispersarse, absorberse o reflejarse en las interfaces de los medios. Así, la técnica registra el eco generado por el contraste de impedancia acústica (Z) entre dos materiales. La microscopía acústica de barrido funciona dirigiendo el sonido enfocado desde un transductor a un pequeño punto de un objeto objetivo. El sonido que golpea el objeto se dispersa, se absorbe, se refleja (se dispersa a 180°) o se transmite (se dispersa a 0°). Es posible detectar los pulsos dispersos que viajan en una dirección particular. Un pulso detectado informa de la presencia de un límite u objeto. El "tiempo de vuelo" del pulso se define como el tiempo que tarda en ser emitido por una fuente acústica, dispersado por un objeto y recibido por el detector, que suele coincidir con la fuente. El tiempo de vuelo se puede utilizar para determinar la distancia de la falta de homogeneidad desde la fuente, dado el conocimiento de la velocidad a través del medio.
A partir de la medición se asigna un valor al lugar investigado. El transductor (u objeto) se mueve ligeramente y luego se vuelve a insonificar. Este proceso se repite de forma sistemática hasta que se haya investigado toda la región de interés. A menudo, los valores de cada punto se reúnen en una imagen del objeto. El contraste que se ve en la imagen se basa en la geometría del objeto o en la composición del material. La resolución de la imagen está limitada por la resolución del escaneo físico o por el ancho del haz de sonido (que a su vez está determinado por la frecuencia del sonido).
Hay diferentes tipos de modos de análisis disponibles en SAM de alta definición. Los tres modos principales son A-scans, B-scans y C-scans. Cada uno proporciona información diferente sobre la integridad de la estructura de la muestra. [6]
El A-scan es la amplitud de la señal de eco sobre ToF. El transductor está montado en el eje z del SAM. Se puede enfocar en una capa objetivo específica ubicada en un área de difícil acceso cambiando la posición z con respecto a la muestra bajo prueba que está fijada mecánicamente. [6]
El B-scan proporciona una sección transversal vertical de la muestra con visualización de la información de profundidad. Es una característica muy buena cuando se trata de detección de daños en la sección transversal. [6]
El C-scan es un modo de escaneo comúnmente utilizado, que proporciona imágenes 2D (cortes) de una capa objetivo a una profundidad específica en las muestras; múltiples capas equidistantes son factibles a través del modo X-scan. [6]
Las imágenes en 2D o 3D de la estructura interna se obtienen mediante el método de reflexión de impulsos, en el que el desajuste de impedancia entre dos materiales provoca una reflexión del haz ultrasónico. La inversión de fase de la señal reflejada puede permitir la discriminación de la delaminación (impedancia acústica casi nula) de inclusiones y partículas, pero no de burbujas de aire, que muestran el mismo comportamiento de impedancia que la delaminación. [6]
Cuanto mayor sea el desajuste de impedancia en la interfaz, mayor será la intensidad de la señal reflejada (más brillo en la imagen 2D), que se mide por la amplitud del eco. En el caso de una interfaz con el aire (Z = 0), se produce una reflexión total de la onda ultrasónica; por lo tanto, SAM es altamente sensible a cualquier aire atrapado en la muestra bajo prueba. [6]
Para mejorar la inserción de la onda acústica en la muestra, tanto el transductor acústico como la muestra se sumergen en un medio de acoplamiento, generalmente agua, para evitar la alta reflexión en las interfaces del aire.
En el modo de onda de pulso, se utiliza una lente que tiene buenas propiedades de enfoque en un eje para enfocar las ondas ultrasónicas en un punto de la muestra y recibir las ondas reflejadas desde el punto, normalmente en menos de 100 ns. El haz acústico se puede enfocar en un punto suficientemente pequeño a una profundidad de hasta 2 a 3 mm para resolver grietas interlaminares típicas y otras geometrías de grietas críticas. Los ecos recibidos se analizan y almacenan para cada punto para crear una imagen de toda el área escaneada. La señal reflejada se monitorea y se envía a una pantalla sincrónica para desarrollar una imagen completa, como en un microscopio electrónico de barrido.
- Control de producción rápido - Estándares: IPC A610, Mil-Std883, J-Std-035, Esa, etc. - Clasificación de piezas - Inspección de pads de soldadura, flip-chip, underfill, die-attach - Sellado de juntas - Uniones soldadas y soldadas - Calificación y selección rápida de colas, adhesivos, análisis comparativos de envejecimiento, etc. - Inclusiones, heterogeneidades, porosidades, grietas en material.
SAM puede proporcionar datos sobre la elasticidad de células y tejidos, lo que puede brindar información útil sobre las fuerzas físicas que mantienen las estructuras en una forma particular y la mecánica de estructuras como el citoesqueleto . [7] [8] Estos estudios son particularmente valiosos en la investigación de procesos como la motilidad celular . [9] [10]
También se han realizado algunos trabajos para evaluar la profundidad de penetración de las partículas inyectadas en la piel mediante inyección sin aguja [11]
Diferentes grupos iniciaron otra dirección prometedora para diseñar y construir SAM portátiles para el diagnóstico del subsuelo de tejidos blandos y duros [12] [5] y esta dirección actualmente se encuentra en el proceso de comercialización en la práctica clínica y de cosmetología.